水泥颗粒特性及粉磨工艺进展对水泥性能的影响

　　1、水泥颗粒特性及其基本要求 

　　水泥颗粒特性包括有细度、颗粒级配及颗粒形貌等。 

　　通常评判水泥细度仅通过筛余或比表面积测定，如0.08 mm方孔筛筛余不超过10%，或比表面积在300 m2/kg左右。人们还注意到水泥比表面积与强度有一定的相关性，如425号水泥比表面积一般为260～300 m2/kg，而525号水泥比表面积则要求达到300～340 m2/kg。 

　　但即使是筛余相同或比表面积相近，水泥的性能也会表现出较大的差异，原因是由于颗粒粒级和形貌不同所致。 

　　水泥颗粒大小与水化和硬化过程有着直接的联系。不同粒径的水泥水化速度及程序差异很大。大于60 μm的颗粒对水泥水化及强度的作用甚微，仅起填料作用；而小于3 μm的颗粒的水化速度很快，在浆体硬化之前即已完成，所以仅对早期强度有利；3～30 μm的颗粒则是担负强度增长的主要粒级。另一方面，水泥颗粒粒级和形貌对水泥的性能，如流动度、标准稠度需水量及强度的发展也有一些影响。 

　　水泥的水化及强度的发展与水化产物的数量有关，水化产物越多，水泥强度越高。在同一比表面积条件下，水泥颗粒粒级分布可能较宽，也可能较窄。前者的水化特性是水泥早期有微小颗粒的水化作用，强度较高，但后期大颗粒水化速度慢、水化程度低，强度增进率也较小；后者的水化特征是水泥在3～28 d内都有较高的强度增进率。两种水泥的基本性能对比如表1所示。 

表1　不同水泥颗粒分布及性能测定 

　　由表1可见，尽管水泥具有基本相同的比表面积，由于试样2水泥颗粒分布较窄，水泥的水化程度高，强度也较高，尤其是水泥的后期强度增进率较高，28 d 强度比试样1高出10%。但是，过窄的颗粒分布会使水泥流动性下降，需水量增加。 

　　水泥颗粒形貌对水泥性能的影响较为复杂。表2中试样3水泥颗粒大多为多角形，试样4所显示的则为近似圆形或椭圆形。用颗粒形貌分析仪进行分析，并通过圆形度(具有与颗粒相等投影面积的圆周长与实际颗粒投影周长之比)公式计算，得到前者圆形度为47%，后者的圆形度为73%。两组样品的性能测试如表2所示。  

表2　具有不同颗粒形貌的试样性能对比 

　　由表2可见，在相同比表面积及相同颗粒分布均匀性系数条件下，圆形度低的试样早期强度较高，但后期强度不及圆形度高的试样。另外，圆形度低的试样有较高的标准稠度需水量。 

　　水泥强度的产生主要是由于水泥颗粒及水化产物之间相互连生、搭接，进而可以抵抗外力的作用。水泥颗粒的圆形度低，多角形颗粒多，有助于颗粒之间的搭接，从而可提高其强度。但另一方面，水泥中的多角形颗粒多，颗粒间的摩擦阻力大，达到一定的流动度就需要多加水，即导致了水泥标准稠度需水量的增加，这就会降低水泥强度并影响水泥的其他性能。  

　　2、水泥粉磨工艺的改进 

　　水泥粉磨可在球磨、立磨或挤压磨中进行，但其产品颗粒特性都应满足一些基本要求，这就是有一定量的细粉颗粒，如3～30 μm颗粒在50%以上，有相对较窄的颗粒分布和较高的圆度系数，进而保证水泥的正常性能以及较高的粉磨效率。为此，水泥粉磨工艺也产生了许多改进。 

　　2.1、球磨机系统的水泥粉磨 

　　在球磨机中，水泥熟料受到长时间的冲击、研磨作用，因而有较高的颗粒圆形度和较高的细粉含量，故水泥有正常的标准稠度需水量及较高的强度。但对于一些小型球磨机，由于冲击作用小以及过粉磨现象严重，使水泥颗粒分布相当宽，即3～30 μm颗粒含量较高，因而影响到强度的发展。 

　　近年来发展的一种新型涡旋组合选粉机可以有助于水泥颗粒特性的改善，并显著地降低粉磨电耗。 

　　该新型涡旋选粉机的结构如图1所示。其工作原理是：物料从进料口进入机体上部分级室内，落在旋转叶轮的均料板上而得到初步分散。随后物料随涡旋气流运动进行分级，细粉随上升气流经叶轮内侧从出风管排出，由旋风收尘装置捕集。较粗粉料及尚未分离的粉料落入下部内锥体，与下出口外的螺桨撒料盘相遇，在叶片及辅助风叶的作用下又得到进一步分离。细粉随气流上升，粗粉料落入下部机体蜗壳内，并与切向进入机体的旋转气流相遇，再次得到分离，最终粗颗粒经出料口卸出。

图1　新型涡旋选粉机结构示意 

　　该设备的特点包括： 

　　(1)选粉室的布置更为合理。物料在选粉室内经惯性力、重力及涡旋流的多次分散分级，使粗细颗粒得到充分分离。其空间尺寸选择较为合理，使选粉效率显著提高，能耗下降。 
　　(2)转子系统易于调节。由于选粉机电机转速及小风叶和辅助风叶的数目、角度均可调节，可使系统参数匹配达到理想的状态，产品粒度易于调节。 
　　(3)采用了特殊设计的叶轮转子装置。叶轮转子及螺桨二次撒料装置串联在一根轴上，并增加浮动支承。叶轮与可调节角度的导风叶片相配合，可适应多种工况需求，叶轮与导风叶片构成了较理想的选粉空间，在上升旋流作用下，使粗细颗粒得到充分分离。由于选粉区内物料均匀地分撒分级，且停留时间较长，使选粉效率大大提高。 
　　(4)采用改进的旋风筒结构。旋风筒结构紧凑，并增大了进风涡旋角，延长了含尘气流在旋风筒内的停留时间，从而提高了细粉收集量。 

　　标定数据表明，采用该选粉机可提高选粉效率20%～30%，单产能耗下降12%～15%，水泥中小于30 μm的细粉含量增加10%，水泥颗粒分布更为合理，强度增加3～5 MPa。 

　　2.2、立磨和挤压磨系统的水泥粉磨 

　　立磨是借肋相对运动的磨辊和磨盘装置来粉磨物料的，立磨中的粉磨过程是物料被拽入并被磨辊和磨盘夹住，由于压力集中在较大的颗粒上，它们最先受到挤压作用并被破碎，随后由磨辊施加的压力被传递到较小的颗粒上，进行较小颗粒的粉碎，这一过程连续进行直到磨辊与磨盘间的最窄处，并伴随有表面积的增加。与此同时，在有重载荷下的单一颗粒将进行空间位置重排，产生的挤压和剪切作用将进一步提高粉磨效果，增加细粉颗粒含量，磨辊与磨盘之间的相对运动也有助于这一作用。 

　　水泥立磨粉磨的实现在很大程度上取决于产品的细度。在应用立磨粉磨水泥的初期则发现产品细颗粒较少，水泥早期强度低，并出现泌水现象。有关研究通过下列措施进行了改进，完善了立磨水泥粉磨工艺。这包括：①改变磨辊和磨盘的外型，增大切向挤压力或增加摩擦力，并以此提高产品细度(图2)，磨辊在设计中有以下关系：b2＞b1，Rv1＞Rv2，M为磨辊与磨盘相对滑动速度为零的点。由于M点向磨盘中心的区域相对滑动速度较小，物料的主要粉磨形式为挤压粉磨，所以叫挤压粉磨区。M点向磨盘外缘的区域相对滑动速度较大，物料除受挤压粉磨外，还受到较大的摩擦粉磨，所以叫摩擦粉磨区。进入磨内的物料首先在挤压粉磨区进行粗磨，然后在摩擦粉磨区进行细磨，以达到所要求的细度。②通过物料磨外循环、风量控制和采用高效选粉设备相配合的工艺，对被挤压粉碎的物料进行精选，以保证产品的合格颗粒级配。所谓磨外循环即让一部分粗物料从磨盘边缘落下，排出机外，再由提升机提升入磨，这就使系统风量减小，细粉尘浓度增加，为细选粉创造了条件，再加上高效选粉机的应用，可以使水泥立磨粉磨达到水泥成品的细度要求，并有较好的颗粒特性。表3列出了有关水泥的性能对比。 

表3　水泥立磨粉磨和球磨粉磨性能对比 

图2　立磨磨盘与磨辊形状及相对速度图 

　　挤压磨与立磨有所不同，它是由一对相向运动的磨辊来粉磨物料的。其粉磨过程是在两磨辊的转动作用下，物料被带入两辊之间，首先是较大的颗粒被挤压粉碎，随着物料向下移动，受压愈大，料层密度不断增大，较小颗粒也得到粉碎，直至两辊间的最窄处，物料以料饼的形式卸出。 

　　立磨和挤压磨的粉磨过程有以下几个区别：①立磨对物料挤压进行了双向限制，而挤压磨则采用三向限制(磨辊两侧装有挡板)，在后一种情况下粉磨能量利用率相对较高；②挤压磨对物料施加的压力主要为正压力，立磨除施加正压力外，还伴随有研磨作用，这不仅可增加细颗粒含量，还可以改善颗粒形貌；③在立磨系统中物料可在磨盘上多次受压，并可通过内部循环重新回落到磨盘上被粉磨，而挤压磨中物料仅通过磨辊挤压一次。由于这些情况立磨和挤压磨粉磨的水泥产品有显著不同。这些包括：挤压磨粉磨产品的细粉颗粒含量较低，大多集中在20～70 μm间，颗粒圆度系数一般小于50%，因此水泥水化表现出凝结时间长，需水量大及强度低等特性。成功的改进措施有挤压磨与球磨机相配合以及采用多次循环粉磨等方案。 

　　挤压磨可以与球磨配合组成不同的粉磨工艺系统，但相同点都是水泥最终需经球磨进行粉磨，以获得正常的颗粒特性，保证水泥的正常水化性能。这种方案的主要缺点是增加了设备。采用多次循环粉磨，可实现水泥的挤压磨粉磨，如图3。这种方案充分利用挤压磨能耗低、效率高的特点，多次循环，重复挤压物料达到增加成品细度的目的，其水泥性能如表3所示。但不难理解这种方案必然使得挤压磨单机设备规格增大，给设备制造带来极大困难，另外，水泥颗粒形貌也不能得到充分的改善。本文作者提出了磨辊“差动、异径”方案，并进行了工艺实验，实验表明这种方案有助于产品中细粉颗粒含量的提高，并显著减小物料的循环量。这无疑给挤压磨水泥粉磨开辟了一条新的途径。 

图3　挤压磨水泥粉磨系统流程 

　　1—熟料库；2—石膏库；3—矿渣库；4—打散机； 
　　5—选粉机；6—水泥泵；7—水泥库；8—挤压磨 

　　3　结束语 

　　(1)水泥的颗粒特性，包括水泥中3～30 μm颗粒含量，颗粒分布及形貌对其水化性能及强度的发展有着重要的影响。水泥中3～30 μm颗粒含量要求在40%以上，并应有相对较窄的颗粒分布，水泥颗粒应为圆形或近似圆形。 
　　(2)球磨粉磨的水泥具有较好的颗粒特性，进而保证了水泥正常的水化性能。但对于一些中小型磨机，由于粉磨能力的不足以及物料流动不畅，则产生有很宽的颗粒分布，这对水泥强度的发展并不有利。采用高效选粉机有助于弥补这一缺陷。 
　　(3)立磨和挤压磨均可用于水泥粉磨。立磨采用了增加摩擦粉磨力及多次挤压技术，使水泥产品颗粒特性满足了正常水泥性能的要求。挤压磨中产品颗粒经多次循环粉磨可以达到一定细度要求，而“差动、异径”方案的实施则有助于减小循环次数，改善水泥颗粒形貌，使水泥各项性能指标趋于正常。